MiniPCR används för en mängd olika genetiska undersökningar för att hjälpa astronauter att snabbt förstärka, eller göra kopior av, en enda DNA-sekvens. Kredit:NASA
Vad gör astronauter, mikrober, och alla växter har gemensamt? Var och en förlitar sig på deoxiribonukleinsyra (DNA) - i huvudsak en datorkod för levande varelser - för att växa och frodas.
Att studera DNA i rymden kan leda till en bättre förståelse av mikrogravitationens inverkan på levande organismer och kan också erbjuda sätt att identifiera okända mikrober i rymdfarkoster, människor och de platser i rymden vi söker besöka. Den mikroskopiska storleken på DNA, dock, kan skapa några stora utmaningar för att studera det ombord på den internationella rymdstationen.
Den mesta jordbaserade molekylära forskningsutrustningen är stor i storlek och kräver betydande mängder ström för att fungera. Det är två egenskaper som kan vara svåra att stödja ombord på det kretsande laboratoriet, så tidigare forskningsprover som krävde DNA-amplifiering och sekvensering var tvungna att lagras i rymden tills de kunde skickas tillbaka till jorden ombord på en lastfarkost, lägga till den tid som krävs för att få resultat.
Dock, allt detta har förändrats på några korta år när NASA har arbetat för att hitta nya lösningar för snabba molekylära tester ombord på rymdstationen.
"Vi måste få maskiner att vara kompakta, portabla, robust, och oberoende av mycket kraftgenerering för att möjliggöra smidigare tester i rymden, " NASA-astronauten och molekylärbiologen Kate Rubins sa i en nedlänk 2016 med National Institutes of Health.
NASA-astronaut Ricky Arnold förbereder miniPCR för gener i Space-5, en student utformade undersökning som studerade förändringar i DNA som kan leda till försvagad immunitet. Kredit:NASA
Resultatet? En avancerad svit med verktyg i storleken på bordsskivor och handflator inklusive MinION, miniPCR, och Wet-Lab-2, och fler verktyg och processer vid horisonten.
Rymdbaserade DNA-tester tog fart 2016 med Biomolecule Sequencer. Består av MinION-sequencern och en Surface Pro 3-surfplatta för analys, verktyget användes för att sekvensera DNA i rymden för första gången med Rubins vid rodret.
Under 2017, det verktyget användes igen för Genes in Space-3, när NASA-astronauten Peggy Whitson samlade in och testade prover av mikrobiell tillväxt från hela stationen. Tillsammans med MinION, astronauter testade också miniPCR, en termisk cykler som används för att utföra polymeraskedjereaktionen. Tillsammans gav dessa plattformar identifieringen av okända stationsmikrober för första gången från rymden.
Astronaut Kate Rubins arbetar med Wet Lab-2, ett verktyg för kvantitativ genuttrycksanalys som ska testas ytterligare i år. Kredit:NASA
Det här året, dessa testmöjligheter översattes till en ännu starkare portfölj av DNA-fokuserad forskning för det kretsande laboratoriets snabba vetenskapsschema. Till exempel, miniPCR används för att testa försvagade immunsystem och DNA-förändringar som en del av en studentdesignad undersökning som kallas Genes in Space-5. Studien hoppas kunna avslöja mer om astronauternas hälsa och potentiella stressrelaterade förändringar av DNA som skapats av rymdfärd. Dessutom, WetLab-2-anläggningen är en uppsättning verktyg ombord på stationen utformad för att bearbeta biologiska prover för genuttrycksanalys i realtid. Fler verktyg för att fylla i de fullständiga möjligheterna till molekylära studier på det kretsande laboratoriet är på väg till rymden snart.
"Minirevolutionen har börjat, sa Sarah Wallace, NASA:s huvudutredare för den kommande utredningen av Biomolecule Extraction and Sequencing Technology (BEST). "Dessa är väldigt små, effektiva verktyg. Vi har ett välutrustat molekylärt labb på stationen och enheter som är idealiska för rymdfärder."
BEST kommer att jämföra swab-to-sequencer-tester av okända mikrober ombord på rymdstationen med nuvarande kulturbaserade metoder.
"Vi ser förändringar i genuttryck som svar på rymdfärd för varje levande varelse där vi har letat efter det, ", sade Wallace. "Att studera dessa förändringar är avgörande för att förstå anpassningar till rymdfärder och ger också potentialen att upptäcka nya svar som kan resultera i alternativa vårdbehandlingar på jorden."
Medan återförsörjning och markstöd är tillgängligt för astronauter ombord på rymdstationen, uppdrag bortom låg omloppsbana om jorden kommer att kräva att besättningarna litar på dessa nya, rymdbesparande teknik för att spåra deras hälsa över tid och för att övervaka potentiella hälsorisker som lever tillsammans med dem. Snabb, tillförlitliga sekvenserings- och identifieringsprocesser kan hålla upptäcktsresande säkrare på uppdrag ut i rymden. På jorden, dessa teknologier kan göra genetisk forskning mer tillgänglig, prisvärd och mobil.
